气化炉火焰智能化检测系统

闫玉强，苏 毅，程慕鑫，梁 健，曾磊赟，李 宇

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所 上海齐耀热能工程有限公司，上海 201108）

气化炉火焰智能化检测系统

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所 上海齐耀热能工程有限公司，上海 201108）

近年来，智能可视化燃烧测控技术成为燃烧领域研究的热点问题。针对粉煤气化炉内燃烧火焰图像的智能化检测，开发了同时具备火检、视频图像和温度预报三种功能的“三合一”气化炉火焰智能化检测系统。该系统无论在气化炉点火、升压还是投煤等工况波动阶段均能够表现出稳定的性能。目前已经在2 000t/d干煤粉气化炉中得到广泛应用。

气化炉；火焰检测；图像处理；测温

1 前言

能源短缺和环境污染是制约国内经济发展的主要因素，我国拥有储量丰富的煤炭资源，为了将煤炭资源转换为各种便利的技术产品，煤气化技术发展迅速，各种气化炉型不断在工业化装置中得到改进和完善[1-3]。在煤气化过程中，炉内温度达到1 200～1 400℃，煤灰在高温下呈熔融状态，挂满炉内膜式水冷壁，并沿垂直方向向渣口流淌。在这样的炉内环境条件下，直接测温法无法找到耐磨损，耐高温同时又耐氧化的热电偶材料；而间接测温，例如激光测温等，难以穿透气化炉水冷壁上的高温熔渣，无法获得炉内的真实火焰温度，甚至无法直接观察到火焰的状态。因此，对于气化炉炉内温度和火焰状态的判断一直是煤气化行业的主要技术难题之一。

随着计算机技术的不断发展，国内外的研究者越来越多把眼光投向了可视化的燃烧监测系统[4]。火焰图像最初只是作为一种火焰监控的辅助手段，在工业CCD摄像机出现后，由于其图像清晰度高、还原真实、工作稳定可靠以及耐热冲击等优点，因此使得人们有机会利用高性能CCD图像对炉内燃烧状态以及温度做数字化处理，甚至对其进行定量分析[5]。

日立公司1985年问世的HIACS-3000系统中采用了炉膛火焰图像识别技术，可以对温度场分布进行判断，估算燃烧经济型以及NOx排放量等[6]。Shimoda等[7]提出了最初的基于比色法概念的图像温度测量方法，并将该装置在日本仙台燃煤电站锅炉中得到了应用。三菱光学图像扫描（OPTIS，Optical Image Flame Scanner）系统采用光学图像传感器来提高对火焰鉴别的灵敏度，该装置对炉膛背景热辐射的干扰过滤能力较强[8]。

吴占松等[9]老师最早在黑体炉中研究了图像亮度信号与火焰温度之间的关系，给出了火焰三维温度分布测量的重建算法。上海交通大学的徐伟勇等[10]、华中科技大学的周怀春等[11-12]将数字图像处理技术应用于电站锅炉燃烧火焰的研究，通过单色图像与参考点位置的辐射强度的对比来获得图像范围内的温度场，而参考点热电偶通过直接测温获得其温度。这一方法虽然简单，但是参考点温度的准确获得往往是实施的关键。浙江大学热能所[13-15]基于火焰辐射的三色信息，在不需要参考点温度的条件下可以较准确的获得炉内的温度场，并且在自建的燃油、燃煤试验台中进行了验证。

与煤粉锅炉等燃烧反应室相比，气化炉内具有高压、纯氧、高温以及熔渣冲刷等极端恶劣的环境，目前针对气化炉内火焰诊断鲜有报道。华东理工大学的王辅臣等[16]采用平面激光诱导荧光系统分析了模拟四喷嘴气化炉内柴油撞击火焰的高度和脉动，并建立了三维温度场。于广锁等[17]在模拟四喷嘴气化炉中对火焰声学特性进行了分析。还未见针对真实煤气化炉中火焰检测的相关研究工作。

本文开发了一套基于计算机视觉图像处理技术的高压、纯氧燃烧火焰温度图像检测系统，同时具备了火焰检测器、火焰图像视频以及火焰温度监测的“三合一三个重要功能系统”。

2 “三合一”系统原理和结构

单烧嘴顶置式干煤粉气化炉仅在气化炉顶部布置一台燃烧器。氧气和煤粉经过燃烧器中特殊设计的通道喷出，确保煤粉和氧气在气化炉反应室内能够充分混合，燃烧产生的火焰很好地充满反应室空间，并且形成合理的温度场分布和最佳的合成气组分。

本系统硬件设备布置在烧嘴的最末端，通过烧嘴中心的中空通道与气化炉内环境保持光线传输的直通，如图1所示。

图1 “三合一”系统布置图

“三合一”系统与气化炉中控系统连接如图2所示。“三合一”系统同时具有：火焰检测、火焰图像视频传输和气化炉内温度检测三大核心功能。

系统包括火焰监测器、火焰CCD摄像机、视频控制箱、防爆供电箱、图像采集软硬件和火焰温度分析系统软硬件等。

2.1 火焰检测信号

燃料燃烧时，火焰以各种形式向四周辐射，而火焰的辐射光谱范围是连续的，包含紫外光、可见光和红外光等。火焰检测信号传输原理就是将火焰的光信号传递到火检探头的光电二极管上面，光电二极管将火焰强度与频率的光信号转变为电压信号，经过内部电路板的放大、滤波、比较处理后，输出0～10V直流电压信号，电压信号与电路板内部的设定阈值做比较，大于设定阈值，输出火焰有火信号，反之，不输出信号。“三合一”系统的火检也可以经过变换输出连续的4～20mA模拟量信号，代表火焰强度信号。火检的有无火开关量信号和火焰的强度信号作为炉膛安全系统检测的一部分，对于现场工艺人员了解炉内的正常燃烧情况至关重要。火检按照不同的检测形式分为普通型火检、一体式火检和分体式火检。本“三合一”系统用的是既能检测红外线也能检测紫外线的双波段火检，防止因为漏掉一部分火焰的光谱范围，火检检测不到信号，影响工艺人员判断，“三合一”系统与气化炉DCS系统连接图见图2。

图2 “三合一”系统与气化炉DCS系统连接图

2.2 视频信号

在气化炉起炉点火、升温、升压过程中，燃烧过程主要依赖于火焰检测器的监控，即根据火检的信号进行气化炉工艺控制；由于气化炉反应温度高，炉内压力高，同时存在高温熔渣，因此会影响到火检的检测效果。当气化炉负荷不稳定、燃烧产生波动时，火焰会发生一定的变化，将会影响并削弱火焰检测器的检测效果，甚至检测不到火焰信号，最终导致装置连锁停车。

为给现场工艺人员一个直观的认识，清晰地判断炉膛内是否真的有火焰信号，“三合一”系统中增加一个现场视频信号，远传到中央控制室，可以让操作人员实时观测炉膛内火焰燃烧状况。视频利用光端收发器，通过光纤将信号传输至中央控制室的显示器。

2.3 温度信号

“三合一”火焰测温算法基于CCD彩色三基色原理、火焰物理特性（颜色、频率和形状）和普朗克定律的一个具体应用。

CCD由彼此之间可以发生电耦合的MOS电容器阵列组成，其中彩色CCD能把其像素点上火的的光信号转换成电信号，通过红 R（λr=700nm）、绿 G（λg=546.1nm）、蓝 B（λb=435.8nm）λr三基色通道输出像素点的三基色信号R、G、B信息。R、G、B信号可由如下公式得出：

公式中，R、G、B为CCD输出的三基色电信号；A为系数常数；PT（λ）辐射出射度；Ar（λ），Ag（λ），Ab（λ）为 R、G、B三个通道的增益和光电转换系数的乘积；Tr，Tg，Tb为R、G、B三通道的光谱响应特性，由镜头、滤色器和摄像器件的特性组合决定，其特性曲线如图3所示：

描述火焰颜色的模型有很多，通常使用的是HIS色彩空间内 H（0～60）S（110～255）I（100～255）范围的颜色视为火焰色，以下为RGB与HSI色彩空间的转换公式：

图3 R、G、B三通道的光谱响应曲线

任何 HSI图像中只要满足 H＜60且 S＞110，I＞100的颜色都可以看作是火焰。

火焰温度检测采用双色测温法测量温度，模型公式如下：

热力学温度T的非黑体的光谱辐射亮度可有普朗克辐射定律得出：物体表面的光谱法涉率；煤粉燃烧火焰的辐射光谱分布覆盖从紫外线到红外线的宽度波段。

对于其中的可见光波长从400nm到750nm范围内及温度在3 000K以下这种情况，普朗克（Planck）辐射定律可以有维恩（Wien）辐射定律计算。即，当乘积光谱辐射亮度，

λ：波长；C1，C2：辐射常数时，可简化为维恩公式：

对于波长λ1和λ2可得：

测出亮度比值B的大小就可以计算理想灰体的温度T。对于非理想灰体，每个波长下的辐射率不同，一般设若即辐射率随波长的增大而减小，测出比色温度高于物体的真实温度；若即辐射率随波长的增大而增大，测出比色温度低于物体的真实温度。由于绝大多数实际物体的灰度在较窄的波段范围内变化，近似当作理想灰体利用上述公式测温带来的误差可以忽略不计。

由积分中值定理，彩色CCD输出的R、G值与其各自的光谱辐射亮度有如下近似关系：

其中K1、K2为比例系数，

这样，把CCD三基色通道带宽造成的误差归结到K1和K2中，最终可得温度公式：确定后，由CCD输出的R、G值可计算出被测温度T。

3 “三合一”系统运行结果

该系统在2 000t/d单烧嘴顶置干煤粉气化炉中进行了试验测试。

1）正常点火时，火焰检测器能够迅速捕捉到火焰信号；火焰视频信号同时接通，炉内火焰直观地出现在显示器上。操作人员通过视频和火检双重信号判断点火成功。

2）气化炉投煤时，火焰检测器信号和视频信号均保持稳定。

3）气化炉进入正常运行状态时，“三合一”系统操作界面同时显示火检信号强度、火焰形态描述、火焰温度、实时火焰视频图像以及历史温度曲线。如图4所示。

其中

图4 “三合一”系统操作界面

4 总结

针对煤气化炉炉内火焰监测可靠性、炉内温度场无法直接测量的难题，开发了同时具有火焰信号检测、火焰视频图像传输和气化炉火焰温度测量三种功能的“三合一”火焰温度图像智能化检测系统。该系统采用可靠的红外紫外一体化火焰信号检测器，搭建了高性能工业CCD无损长距离视频传输系统；开发了基于CCD彩色三基色原理、火焰物理特性和普朗克定律三种理论的火焰温度预报算法。通过在实际气化炉中的实验，该系统无论在点火、升压还是投煤等工况条件下，对气化炉内的火焰信号响应成功率为99%以上，视频信号传输稳定，对气化炉炉内温度的预报为操作人员提供了良好的参考。目前，“三合一”系统已经在该型煤气化装置中得到大面积推广应用。

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An Intelligent Flame Monitor System for Coal Gasifier

Yan Yu-qiang，Su Yi，Cheng Mu-xin，Liang Jian，Zeng Lei-yun，Li Yu

In recent years，Intelligent flame measurement and control technology is becoming a hot issue in combustion field.In this work，a “3 in 1” system for gasifier flame monitor is developed and tested，which is a combination of flame detector， flame image display and temperature prediction.A serial of tests of this system were conducted on a real coal gasifier.Results show that the performance of this system is very reliable under any condition such as ignition，furnace warming and coal feeding processes.The presented system is now widely equipped on 2000t/d coal gasifier.

gasifier； flame monitor；image processing；temperature measurement

TK32；TQ546.8

A

1003–6490（2017）10–0121–03

2017–07–05

上海市青年科技启明星项目（16QB1404800）.上海市科委科研计划项目（16dz1206302）.张江国家自主创新专项发展资金（201701-MH-c1085-010）。

闫玉强（1984—），男，河北邢台人，工程师，主要研究方向为检测技术与自动化装置。